Plnenie jeho hlavných funkcií - generovania, vedenia a prenosu nervového impulzu neurónom je možné predovšetkým preto, že koncentrácia množstva iónov vo vnútri a mimo bunky sa výrazne líši. Najväčší význam tu majú ióny K+, Na+, Ca2+, Cl-. V bunke je 30-40-krát viac draslíka ako vonku a asi 10-krát menej sodíka. Okrem toho je v bunke oveľa menej chloridových a voľných iónov vápnika ako v medzibunkovom médiu.
Rozdiel medzi koncentráciami sodíka a draslíka vytvára špeciál biochemický mechanizmus, volal sodno-draselná pumpa. Je to proteínová molekula uložená v membráne neurónu (obr. 6) a aktívne transportujúca ióny. Takáto pumpa pomocou energie ATP (kyselina adenozíntrifosforečná) vymieňa sodík za draslík v pomere 3 : 2. Na prenos troch iónov sodíka z bunky do životné prostredie a dva draselné ióny v opačnom smere (t.j. proti koncentračnému gradientu) vyžaduje energiu jednej molekuly ATP.
Keď dozrievajú neuróny, v ich membráne sú zabudované sodno-draselné pumpy (na 1 μm2 môže byť umiestnených až 200 takýchto molekúl), po ktorých sa draselné ióny čerpajú do nervovej bunky a sodíkové ióny sa z nej odstraňujú. V dôsledku toho sa koncentrácia iónov draslíka v bunke zvyšuje a sodík klesá. Rýchlosť tohto procesu môže byť veľmi vysoká: až 600 iónov Na+ za sekundu. V skutočných neurónoch je určená predovšetkým dostupnosťou intracelulárneho Na + a prudko sa zvyšuje, keď preniká zvonku. V neprítomnosti jedného z dvoch typov iónov sa činnosť pumpy zastaví, pretože môže prebiehať iba ako proces výmeny intracelulárneho Na+ za extracelulárny K+.
Podobné transportné systémy existujú aj pre ióny Cl- a Ca2+. V tomto prípade sú chloridové ióny odstránené z cytoplazmy do medzibunkového prostredia a ióny vápnika sú zvyčajne prenesené do bunkových organel - mitochondrií a kanálov endoplazmatického retikula.
Na pochopenie procesov prebiehajúcich v neuróne je potrebné vedieť, že v bunkovej membráne sú iónové kanály, ktorých počet je daný geneticky. iónový kanál je diera v špeciálnej molekule proteínu uloženej v membráne. Proteín môže zmeniť svoju konformáciu (priestorovú konfiguráciu), v dôsledku čoho je kanál v otvorenom alebo uzavretom stave. Existujú tri hlavné typy takýchto kanálov:
- trvalo otvorené;
- napäťovo závislé (napäťovo závislé, elektrosenzitívne) - kanál sa otvára a zatvára v závislosti od transmembránového rozdielu potenciálov, t.j. potenciálny rozdiel medzi vonkajším a vnútorným povrchom cytoplazmatickej membrány;
- chemo-dependentný (ligand-dependentný, chemosenzitívny) - kanál sa otvára v závislosti od vplyvu jednej alebo druhej látky špecifickej pre každý kanál naň.
Mikroelektródová technika sa používa na štúdium elektrických procesov v nervovej bunke. Mikroelektródy umožňujú zaznamenávať elektrické procesy v jednom jedinom neuróne alebo nervovom vlákne. Zvyčajne ide o sklenené kapiláry s veľmi tenkým hrotom s priemerom menším ako 1 µm, naplnené elektricky vodivým roztokom (napríklad chloridom draselným).
Ak sú na povrchu článku umiestnené dve elektródy, nezaznamená sa medzi nimi žiadny potenciálny rozdiel. Ale ak jedna z elektród prepichne cytoplazmatickú membránu neurónu (t.j. hrot elektródy bude vo vnútornom prostredí), voltmeter zaznamená potenciálny skok až do približne -70 mV (obr. 7). Tento potenciál sa nazýva membránový potenciál. Môže byť zaregistrovaný nielen v neurónoch, ale v menej výraznej forme aj v iných bunkách tela. Ale iba v nervových, svalových a žľazových bunkách sa membránový potenciál môže zmeniť v reakcii na pôsobenie dráždidla. V tomto prípade sa nazýva membránový potenciál bunky, ktorý nie je ovplyvnený žiadnym stimulom oddychový potenciál(PP). V rôznych nervových bunkách je hodnota PP odlišná. Pohybuje sa od -50 do -100 mV. Čo spôsobuje tento PP?
Počiatočný (pred rozvojom PP) stav neurónu možno charakterizovať ako bez vnútorného náboja, t.j. počet katiónov a aniónov v cytoplazme bunky je rovnaký v dôsledku prítomnosti veľkých organických aniónov, pre ktoré je membrána neurónu nepriepustná. V skutočnosti sa takýto obraz pozoruje v počiatočných štádiách embryonálneho vývoja nervového tkaniva. Potom, keď dozrieva, sú zapnuté gény, ktoré spúšťajú syntézu. trvalo otvorené K+ kanály. Ióny K+ sú po svojom zabudovaní do membrány schopné voľne vystupovať z bunky (kde ich je veľa) vďaka difúzii do medzibunkového prostredia (kde ich je oveľa menej).
Ale to nevedie k rovnováhe koncentrácií draslíka vo vnútri a mimo bunky, pretože. uvoľnenie katiónov vedie k tomu, že v bunke zostáva stále viac nekompenzovaných negatívnych nábojov. To spôsobuje vznik elektrického potenciálu, ktorý zabraňuje uvoľňovaniu nových kladne nabitých iónov. Výsledkom je, že uvoľňovanie draslíka pokračuje, kým sa sila koncentračného tlaku draslíka, vďaka ktorému opúšťa bunku, a pôsobenie elektrického poľa, ktoré tomu bráni, nevyrovnajú. V dôsledku toho vzniká potenciálny rozdiel medzi vonkajším a vnútorným prostredím bunky alebo rovnovážny draslíkový potenciál, ktorý je popísaný Nernstova rovnica:
EK = (RT / F) (ln [K+]o / [K+ ]i),
kde R je plynová konštanta, T je absolútna teplota, F je Faradayovo číslo, [K+]o je koncentrácia draselných iónov vo vonkajšom roztoku, [K+ ]i je koncentrácia draselných iónov v bunke.
Rovnica potvrdzuje závislosť, ktorá sa dá odvodiť aj logickou úvahou – čím väčší je rozdiel v koncentráciách draselných iónov vo vonkajšom a vnútornom prostredí, tým väčší (v absolútnej hodnote) je PP.
Klasické štúdie PP sa uskutočnili na obrovských axónoch chobotnice. Ich priemer je asi 0,5 mm, takže celý obsah axónu (axoplazmy) možno bez problémov odstrániť a axón naplniť roztokom draslíka, ktorého koncentrácia zodpovedá jeho intracelulárnej koncentrácii. Samotný axón bol umiestnený do roztoku draslíka s koncentráciou zodpovedajúcou medzibunkovému médiu. Potom sa zaznamenal RI, ktorý sa ukázal ako -75 mV. Rovnovážny draslíkový potenciál vypočítaný Nernstovou rovnicou pre tento prípad sa ukázal byť veľmi blízky potenciálu získanému v experimente.
Ale RI v axóne chobotnice naplnenej skutočnou axoplazmou je približne -60 mV . Odkiaľ pochádza rozdiel 15 mV? Ukázalo sa, že na tvorbe PP sa podieľajú nielen draselné, ale aj sodné ióny. Faktom je, že okrem draslíkových kanálov obsahujú aj neurónové membrány trvalo otvorené sodíkové kanály. Je ich oveľa menej ako draslíkových, napriek tomu membrána do bunky stále neprepúšťa veľké množstvo Na+ ióny, v súvislosti s ktorými je vo väčšine neurónov RP –60-(-65) mV. Prúd sodíka je tiež úmerný rozdielu medzi jeho koncentráciami vo vnútri a mimo bunky – teda čím menší je tento rozdiel, tým väčšia je absolútna hodnota PP. Sodíkový prúd závisí aj od samotného PP. Okrem toho cez membránu difunduje veľmi malé množstvo iónov Cl-. Preto pri výpočte skutočného PP je Nernstova rovnica doplnená o údaje o koncentráciách iónov sodíka a chlóru vo vnútri a mimo článku. V tomto prípade sa vypočítané ukazovatele veľmi približujú k experimentálnym, čo potvrdzuje správnosť vysvetlenia pôvodu PP difúziou iónov cez neurónovú membránu.
Konečná úroveň pokojového potenciálu je teda určená spolupôsobením veľkého množstva faktorov, z ktorých hlavnými sú prúdy K +, Na + a aktivita sodíkovo-draselnej pumpy. Výsledná hodnota PP je výsledkom dynamickej rovnováhy týchto procesov. Pôsobením na ktorýkoľvek z nich je možné posunúť úroveň PP a tým aj úroveň excitability nervovej bunky.
V dôsledku vyššie opísaných dejov je membrána neustále v stave polarizácie - jej vnútorná strana je nabitá záporne voči vonkajšej. Proces znižovania potenciálneho rozdielu (t. j. znižovanie PP v absolútnej hodnote) sa nazýva depolarizácia a jeho zvýšenie (zvýšenie PP v absolútnej hodnote) sa nazýva hyperpolarizácia.
Dátum zverejnenia: 09.10.2015; Prečítané: 361 | Porušenie autorských práv stránky
studopedia.org – Studopedia.Org – 2014 – 2018. (0,002 s) ...
2–1. Pokojový membránový potenciál je:
1) potenciálny rozdiel medzi vonkajším a vnútorným povrchom bunkovej membrány v stave funkčného pokoja *
2) charakteristický znak iba buniek excitabilných tkanív
3) rýchle kolísanie náboja bunkovej membrány s amplitúdou 90-120 mV
4) potenciálny rozdiel medzi excitovanými a neexcitovanými úsekmi membrány
5) potenciálny rozdiel medzi poškodenou a nepoškodenou časťou membrány
2–2. V stave fyziologického pokoja je vnútorný povrch membrány excitabilnej bunky vo vzťahu k vonkajšiemu nabitý:
1) pozitívne
2), ako aj vonkajší povrch membrány
3) negatívne*
4) je bez poplatku
5) neexistuje správna odpoveď
2–3. Pozitívny posun (pokles) pokojového membránového potenciálu pôsobením stimulu sa nazýva:
1) hyperpolarizácia
2) repolarizácia
3) povznesenie
4) depolarizácia*
5) statická polarizácia
2–4. Negatívny posun (zvýšenie) pokojového membránového potenciálu sa nazýva:
1) depolarizácia
2) repolarizácia
3) hyperpolarizácia*
4) povznesenie
5) reverzia
2–5. Zostupná fáza akčného potenciálu (repolarizácia) je spojená so zvýšením priepustnosti membrány pre ióny:
2) vápnik
2–6. Vo vnútri bunky v porovnaní s medzibunkovou tekutinou je koncentrácia iónov vyššia:
3) vápnik
2–7. Zvýšenie prúdu draslíka počas vývoja akčného potenciálu spôsobuje:
1) rýchla repolarizácia membrány*
2) depolarizácia membrány
3) obrátenie membránového potenciálu
4) stopová depolarizácia
5) lokálna depolarizácia
2–8. Pri úplnej blokáde rýchlych sodíkových kanálov bunkovej membrány sa pozoruje nasledovné:
1) znížená excitabilita
2) zníženie amplitúdy akčného potenciálu
3) absolútna žiaruvzdornosť*
4) povznesenie
5) stopová depolarizácia
2–9. Záporný náboj na vnútornej strane bunkovej membrány vzniká v dôsledku difúzie:
1) K+ z bunky a elektrogénna funkcia K-Na pumpy *
2) Na+ do bunky
3) C1 - z bunky
4) Ca2+ do bunky
5) neexistuje správna odpoveď
2–10. Hodnota pokojového potenciálu je blízka hodnote rovnovážneho potenciálu pre ión:
3) vápnik
2–11. Rastúca fáza akčného potenciálu je spojená so zvýšením priepustnosti iónov:
2) neexistuje správna odpoveď
3) sodík*
2–12. Uveďte funkčnú úlohu pokojového membránového potenciálu:
1) jeho elektrické pole ovplyvňuje stav proteínových kanálov a membránových enzýmov*
2) charakterizuje zvýšenie excitability buniek
3) je hlavnou jednotkou kódovania informácií v nervovom systéme
4) zabezpečuje prevádzku membránových čerpadiel
5) charakterizuje zníženie excitability buniek
2–13. Schopnosť buniek reagovať na pôsobenie stimulov špecifickou reakciou, charakterizovanou rýchlou, reverzibilnou membránovou depolarizáciou a zmenou metabolizmu, sa nazýva:
1) podráždenosť
2) vzrušivosť*
3) labilita
4) vodivosť
5) automatizácia
2–14. Biologické membrány, ktoré sa podieľajú na zmene intracelulárneho obsahu a intracelulárnych reakciách v dôsledku príjmu extracelulárnych biologicky aktívnych látok, vykonávajú funkciu:
1) bariéra
2) receptor-regulačný *
3) doprava
4) diferenciácia buniek
2–15. Minimálna sila stimulu potrebná a dostatočná na to, aby došlo k reakcii, sa nazýva:
1) prah*
2) superprah
3) submaximálne
4) podprahové
5) maximálne
2–16. So zvýšením prahu podráždenia, excitabilita bunky:
1) zvýšená
2) znížená*
3) sa nezmenil
4) všetko je správne
5) neexistuje správna odpoveď
2–17. Biologické membrány, podieľajúce sa na premene vonkajších podnetov neelektrickej a elektrickej povahy na bioelektrické signály, plnia najmä funkciu:
1) bariéra
2) regulačné
3) diferenciácia buniek
4) doprava
5) generovanie akčného potenciálu*
2–18. Akčný potenciál je:
1) stabilný potenciál, ktorý vzniká na membráne, keď sú dve sily v rovnováhe: difúzna a elektrostatická
2) potenciál medzi vonkajším a vnútorným povrchom bunky v stave funkčného pokoja
3) rýchle, aktívne sa šíriace, fázové kolísanie membránového potenciálu, sprevádzané spravidla dobíjaním membrány *
4) mierna zmena membránového potenciálu pôsobením podprahového stimulu
5) predĺžená kongestívna depolarizácia membrány
2–19. Priepustnosť membrány pre Na+ vo fáze depolarizácie akčného potenciálu:
1) prudko stúpa a do bunky vstupuje silný sodíkový prúd *
2) prudko klesá a objavuje sa silný sodíkový prúd opúšťajúci bunku
3) sa výrazne nemení
4) všetko je správne
5) neexistuje správna odpoveď
2–20. Biologické membrány, ktoré sa podieľajú na uvoľňovaní neurotransmiterov v synaptických zakončeniach, vykonávajú hlavne funkciu:
1) bariéra
2) regulačné
3) medzibunková interakcia*
4) receptor
5) generovanie akčného potenciálu
2–21. Molekulárny mechanizmus, ktorý zabezpečuje odstránenie sodných iónov z cytoplazmy a zavedenie iónov draslíka do cytoplazmy, sa nazýva:
1) napäťovo riadený sodíkový kanál
2) nešpecifický sodíkovo-draslíkový kanál
3) chemodependentný sodíkový kanál
4) sodíkovo-draslíková pumpa*
5) únikový kanál
2–22. Systém pohybu iónov cez membránu pozdĺž koncentračného gradientu, nie vyžadujúci priamy výdaj energie sa nazýva:
1) pinocytóza
2) pasívny transport*
3) aktívny transport
4) persorpcia
5) exocytóza
2–23. Úroveň membránového potenciálu, pri ktorej vzniká akčný potenciál, sa nazýva:
1) pokojový membránový potenciál
2) kritická úroveň depolarizácie*
3) stopová hyperpolarizácia
4) nulová úroveň
5) stopová depolarizácia
2–24. So zvýšením koncentrácie K + v extracelulárnom prostredí s pokojovým membránovým potenciálom v excitabilnej bunke dôjde k:
1) depolarizácia*
2) hyperpolarizácia
3) transmembránový potenciálny rozdiel sa nezmení
4) stabilizácia transmembránového potenciálneho rozdielu
5) neexistuje správna odpoveď
2–25. Najvýznamnejšia zmena pri vystavení rýchlemu blokátoru sodíkových kanálov bude:
1) depolarizácia (zníženie pokojového potenciálu)
2) hyperpolarizácia (zvýšený pokojový potenciál)
3) zníženie strmosti depolarizačnej fázy akčného potenciálu *
4) spomalenie fázy repolarizácie akčného potenciálu
5) neexistuje správna odpoveď
3. HLAVNÉ VZORKY DRÁŽDENIA
VZRUŠITEĽNÉ TKANIVÁ
3–1. Zákon, podľa ktorého so zvyšujúcou sa silou stimulu sa odozva postupne zvyšuje, až kým nedosiahne maximum, sa nazýva:
1) "všetko alebo nič"
2) pevnosť-trvanie
3) ubytovanie
4) sily (mocenské vzťahy) *
5) polárne
3–2. Zákon, podľa ktorého excitabilná štruktúra reaguje na prahové a nadprahové podnety maximálnou možnou odozvou, sa nazýva:
2) "všetko alebo nič" *
3) pevnosť-trvanie
4) ubytovanie
5) polárne
3–3. Minimálny čas, počas ktorého prúd rovnajúci sa dvojnásobku reobázy (dvojnásobok prahovej sily) spôsobí budenie, sa nazýva:
1) dobrý čas
2) ubytovanie
3) prispôsobenie
4) chronaxia*
5) labilita
3–4. Konštrukcia sa riadi zákonom sily:
1) srdcový sval
2) jediné nervové vlákno
3) jediné svalové vlákno
4) celý kostrový sval*
5) jedna nervová bunka
Zákon „Všetko alebo nič“ sa riadi štruktúrou:
1) celý kostrový sval
2) nervový kmeň
3) srdcový sval*
4) hladké svalstvo
5) nervové centrum
3–6. Adaptácia tkaniva na pomaly rastúci stimul sa nazýva:
1) labilita
2) funkčná mobilita
3) hyperpolarizácia
4) ubytovanie*
5) brzdenie
3–7. Parabiózna fáza parabiózy je charakterizovaná:
1) zníženie odozvy so zvýšením sily stimulu *
2) zníženie odozvy so znížením sily stimulu
3) zvýšenie odozvy so zvýšením sily stimulu
4) rovnaká odozva so zvýšením sily stimulu
5) nedostatok reakcie na podnety akejkoľvek sily
3–8. Prah podráždenia je indikátorom:
1) vzrušivosť*
2) kontraktilita
3) labilita
4) vodivosť
5) automatizácia
Dátum zverejnenia: 08.04.2015; Prečítané: 2728 | Porušenie autorských práv stránky
studopedia.org – Studopedia.Org – 2014 – 2018. (0,009 s) ...
ÚLOHA AKTÍVNEHO TRANSPORTU IÓNOV PRI TVORENÍ MEMBRÁNOVÉHO POTENCIÁLU
Jednou z výhod „ideálnej“ membrány, ktorá umožňuje prechod akéhokoľvek jedného iónu, je zachovanie membránového potenciálu po ľubovoľne dlhý čas bez výdaja energie, za predpokladu, že prenikajúci ión je spočiatku rozmiestnený nerovnomerne na oboch stranách membrány. Súčasne je membrána živých buniek v tej či onej miere priepustná pre všetky anorganické ióny prítomné v roztoku obklopujúcom bunku. Preto musia bunky
nejako udržiavame intracelulárnu koncentráciu iónov na určitej úrovni. Celkom indikatívne sú v tomto smere sodné ióny, na príklade ktorých permeability bola v predchádzajúcej časti analyzovaná odchýlka potenciálu svalovej membrány od rovnovážneho draslíkového potenciálu. Podľa nameraných koncentrácií sodíkových iónov mimo a vo vnútri svalovej bunky bude rovnovážny potenciál vypočítaný Nernstovou rovnicou pre tieto ióny asi 60 mV a so znamienkom plus vo vnútri bunky. Membránový potenciál, vypočítaný podľa Goldmanovej rovnice a meraný pomocou mikroelektród, je 90 mV so znamienkom mínus vo vnútri článku. Jeho odchýlka od rovnovážneho potenciálu pre ióny sodíka bude teda 150 mV. Pri pôsobení takého vysokého potenciálu, dokonca aj pri nízkej permeabilite, sodíkové ióny vstúpia cez membránu a akumulujú sa vo vnútri bunky, čo bude teda sprevádzané uvoľňovaním iónov draslíka z nej. V dôsledku tohto procesu sa intra- a extracelulárne koncentrácie iónov po určitom čase vyrovnajú.
V živej bunke sa to v skutočnosti nedeje, keďže ióny sodíka sa z bunky neustále odstraňujú pomocou takzvanej iónovej pumpy. Predpoklad o existencii iónovej pumpy predložil R. Dean v 40-tych rokoch XX storočia. a bol mimoriadne dôležitým doplnkom k membránovej teórii tvorby pokojového potenciálu v živých bunkách. Experimentálne sa ukázalo, že aktívne „odčerpávanie“ Na + z bunky prichádza s povinným „odčerpávaním“ draselných iónov do bunky (obr. 2.8). Keďže priepustnosť membrány pre sodíkové ióny je malá, ich vstup z vonkajšieho prostredia do bunky bude prebiehať pomaly, preto
Nízka koncentrácia K+ Vysoká koncentrácia Na++
pumpa bude účinne udržiavať nízku koncentráciu sodíkových iónov v bunke. Priepustnosť membrány pre draselné ióny v pokoji je pomerne vysoká a ľahko difundujú cez membránu.
Na udržanie vysokej koncentrácie draselných iónov nie je potrebné plytvať energiou, tá sa udržiava vďaka vznikajúcemu transmembránovému rozdielu potenciálu, ktorého mechanizmy sú podrobne opísané v predchádzajúcich častiach. Prenos iónov pumpou vyžaduje vynaloženie metabolickej energie bunky. Zdrojom energie tohto procesu je energia uložená v makroergických väzbách molekúl ATP. Energia sa uvoľňuje v dôsledku hydrolýzy ATP pomocou enzýmu adenozíntrifosfatázy. Predpokladá sa, že ten istý enzým priamo vykonáva prenos iónov. V súlade so štruktúrou bunkovej membrány je ATPáza jedným z integrálnych proteínov zabudovaných do lipidovej dvojvrstvy. Charakteristickým znakom nosného enzýmu je jeho vysoká afinita na vonkajšom povrchu k draselným iónom a na vnútornom povrchu k sodným iónom. Pôsobenie inhibítorov oxidačných procesov (kyanidov alebo azidov) na bunku, ochladzovanie bunky blokuje hydrolýzu ATP, ako aj aktívny prenos sodných a draselných iónov. Sodíkové ióny postupne vstupujú do bunky a draselné ióny ju opúšťajú a so znižovaním pomeru [K +] o / [K +], - bude pokojový potenciál pomaly klesať k nule. Diskutovali sme o situácii, keď iónová pumpa odstraňuje jeden kladne nabitý sodíkový ión z intracelulárneho prostredia a podľa toho prenáša jeden kladne nabitý draselný ión z extracelulárneho priestoru (pomer 1: 1). V tomto prípade sa hovorí o iónovej pumpe elektricky neutrálny.
Zároveň sa experimentálne zistilo, že v niektorých nervových bunkách odoberie iónová pumpa za rovnaký čas viac iónov sodíka, ako pumpuje ióny draslíka (pomer môže byť 3:2). V takýchto prípadoch je iónová pumpa elektrogénny, t.
Physiologia_Answer
To znamená, že on sám vytvára malý, ale konštantný celkový prúd kladných nábojov z bunky a navyše v nej prispieva k vytvoreniu negatívneho potenciálu. Všimnite si, že dodatočný potenciál vytvorený elektrogénnou pumpou v pokojovej bunke nepresahuje niekoľko milivoltov.
Zhrňme si informácie o mechanizmoch vzniku membránového potenciálu – pokojového potenciálu v bunke. Hlavný proces, vďaka ktorému sa väčšina potenciálu vytvára s negatívnym znamienkom vnútorný povrch bunková membrána je výskyt elektrického potenciálu, ktorý oneskoruje pasívny výstup iónov draslíka z bunky pozdĺž jej vlastného koncentračného gradientu cez draslíkové kanály - in-
 |
tegrálne proteíny. Iné ióny (napríklad sodné ióny) sa podieľajú na vytváraní potenciálu len v malej miere, pretože priepustnosť membrány je pre ne oveľa nižšia ako pre ióny draslíka, t. j. počet otvorených kanálov pre tieto ióny v pokoji je malý. Mimoriadne dôležitou podmienkou pre udržanie pokojového potenciálu je prítomnosť v bunke (v bunkovej membráne) iónovej pumpy (integrálnej bielkoviny), ktorá zabezpečuje koncentráciu sodíkových iónov vo vnútri bunky na nízkej úrovni a tým vytvára predpoklady pre hlavnými intracelulárnymi iónmi tvoriacimi potenciál sa stávajú ióny draslíka. Malý príspevok k pokojovému potenciálu môže urobiť priamo samotná iónová pumpa, ale pod podmienkou, že jej práca v bunke je elektrogénna.
Koncentrácia iónov vo vnútri a mimo bunky
Existujú teda dve skutočnosti, ktoré je potrebné vziať do úvahy, aby sme pochopili mechanizmy, ktoré udržiavajú pokojový membránový potenciál.
1 . Koncentrácia draselných iónov v bunke je oveľa vyššia ako v extracelulárnom prostredí. 2 . Membrána v pokoji je selektívne priepustná pre K+ a pre Na+ je priepustnosť membrány v pokoji zanedbateľná. Ak vezmeme priepustnosť pre draslík ako 1, potom bude priepustnosť pre sodík v pokoji len 0,04. v dôsledku toho je konštantný tok iónov K+ z cytoplazmy pozdĺž koncentračného gradientu. Prúd draslíka z cytoplazmy vytvára relatívny deficit kladných nábojov na vnútornom povrchu; pre anióny je bunková membrána nepriepustná; výsledkom je, že cytoplazma bunky je negatívne nabitá vzhľadom na prostredie obklopujúce bunku . Tento potenciálny rozdiel medzi bunkou a extracelulárnym priestorom, polarizácia bunky, sa nazýva pokojový membránový potenciál (RMP).
Vynára sa otázka: prečo prúd draselných iónov nepokračuje, kým sa koncentrácie iónov mimo a vnútri bunky nevyrovnajú? Malo by sa pamätať na to, že ide o nabitú časticu, preto jej pohyb závisí aj od náboja membrány. Vnútrobunkový negatívny náboj, ktorý vzniká prúdom iónov draslíka z bunky, bráni novým iónom draslíka opustiť bunku. Tok draselných iónov sa zastaví, keď pôsobenie elektrického poľa kompenzuje pohyb iónu pozdĺž koncentračného gradientu. Preto pri danom rozdiele koncentrácií iónov na membráne vzniká pre draslík takzvaný ROVNOVÁHA POTENCIÁL. Tento potenciál (Ek) sa rovná RT/nF *ln /, (n je valencia iónu.) alebo
Ek=61,5 log/
Membránový potenciál (MP) do značnej miery závisí od rovnovážneho potenciálu draslíka, avšak časť sodíkových iónov stále preniká do pokojovej bunky, ako aj chloridové ióny. Negatívny náboj, ktorý má bunková membrána, teda závisí od rovnovážnych potenciálov sodíka, draslíka a chlóru a je opísaný Nernstovou rovnicou. Prítomnosť tohto pokojového membránového potenciálu je mimoriadne dôležitá, pretože určuje schopnosť bunky excitovať – špecifickú odpoveď na podnet.
bunková excitácia
AT vzrušenie buniek (prechod z pokoja do aktívneho stavu) nastáva so zvýšením permeability iónových kanálov pre sodík a niekedy aj pre vápnik. Dôvodom zmeny permeability môže byť aj zmena potenciálu membrány - aktivujú sa elektricky excitovateľné kanály a interakcia membránových receptorov s biologicky účinná látka- receptorom riadené kanály a mechanické pôsobenie. V každom prípade pre rozvoj vzrušenia je to nevyhnutné počiatočná depolarizácia - mierny pokles záporného náboja membrány, spôsobené pôsobením podnetu. Dráždivou látkou môže byť akákoľvek zmena parametrov vonkajšieho alebo vnútorného prostredia tela: svetlo, teplota, chemických látok(vplyv na chuťové a čuchové receptory), naťahovanie, tlak. Sodík prúdi do bunky, dochádza k iónovému prúdu a membránový potenciál klesá - depolarizácia membrány.
Tabuľka 4
Zmena membránového potenciálu počas bunkovej excitácie.
Venujte pozornosť skutočnosti, že sodík vstupuje do bunky pozdĺž koncentračného gradientu a pozdĺž elektrického gradientu: koncentrácia sodíka v bunke je 10-krát nižšia ako v extracelulárnom prostredí a náboj vo vzťahu k extracelulárnemu je negatívny. Súčasne sú aktivované aj draslíkové kanály, ale sodíkové (rýchle) sú aktivované a inaktivované v priebehu 1–1,5 milisekúnd a draslíkové kanály trvajú dlhšie.
Zmeny membránového potenciálu sú zvyčajne znázornené graficky. Horný obrázok znázorňuje počiatočnú depolarizáciu membrány – zmenu potenciálu v reakcii na pôsobenie stimulu. Pre každú excitabilnú bunku existuje špeciálna úroveň membránového potenciálu, po dosiahnutí ktorej sa vlastnosti sodíkových kanálov dramaticky menia. Tento potenciál je tzv kritická úroveň depolarizácie (KUD). Keď sa membránový potenciál zmení na KUD, otvoria sa rýchle, na potenciáli závislé sodíkové kanály, tok sodíkových iónov sa ponáhľa do bunky. S prechodom kladne nabitých iónov do bunky v cytoplazme sa kladný náboj zvyšuje. V dôsledku toho sa transmembránový potenciálny rozdiel zníži, hodnota MP sa zníži na 0 a potom, keď sodík ďalej vstupuje do bunky, membrána sa znovu nabije a náboj sa obráti (prestrelí) - teraz sa povrch stáva elektronegatívnym vzhľadom na cytoplazmu - membrána je úplne DEPOLARIZOVANÁ - stredná postava. Nedochádza k ďalšej zmene poplatku, pretože sodíkové kanály sú inaktivované- viac sodíka nemôže vstúpiť do bunky, hoci koncentračný gradient sa mení veľmi mierne. Ak má stimul takú silu, že depolarizuje membránu na FCD, tento stimul sa nazýva prahový stimul, spôsobuje excitáciu bunky. Potenciálny bod zvratu je znakom toho, že celý rozsah podnetov akejkoľvek modality bol preložený do jazyka nervový systém- vzrušivé impulzy. Impulzy alebo excitačné potenciály sa nazývajú akčné potenciály. Akčný potenciál (AP) – rýchla zmena membránového potenciálu v reakcii na pôsobenie prahového stimulu. AP má štandardné parametre amplitúdy a času, ktoré nezávisia od sily podnetu – pravidlo „ALL OR NIČ“. Ďalšou fázou je obnovenie pokojového membránového potenciálu - repolarizácia(dolný obrázok) je spôsobený hlavne aktívnym transportom iónov. Najdôležitejším procesom aktívneho transportu je práca Na/K - pumpy, ktorá pumpuje sodíkové ióny von z bunky a súčasne pumpuje do bunky draselné ióny. Obnovenie membránového potenciálu nastáva v dôsledku prúdu draslíkových iónov z bunky - aktivujú sa draslíkové kanály a umožňujú draslíkovým iónom prechádzať, kým sa nedosiahne rovnovážny draslíkový potenciál. Tento proces je dôležitý, pretože kým sa MPP neobnoví, bunka nie je schopná vnímať nový excitačný impulz.
HYPERPOLARIZÁCIA - krátkodobé zvýšenie MP po jej obnovení, čo je spôsobené zvýšením priepustnosti membrány pre ióny draslíka a chlóru. Hyperpolarizácia nastáva až po PD a nie je charakteristická pre všetky bunky. Skúsme ešte raz graficky znázorniť fázy akčného potenciálu a iónové procesy, ktoré sú základom zmien membránového potenciálu (obr.
Pokojový potenciál neurónu
9). Na osi x vynesme hodnoty membránového potenciálu v milivoltoch a na zvislú os čas v milisekundách.
1. Depolarizácia membrány na KUD - môžu sa otvoriť akékoľvek sodíkové kanály, niekedy vápnikové, rýchle aj pomalé, závislé od napätia a riadené receptormi. Závisí to od typu stimulu a typu bunky.
2. Rýchly vstup sodíka do bunky - rýchle, na napätí závislé sodíkové kanály sa otvárajú a depolarizácia dosiahne bod obratu potenciálu - membrána sa znovu nabije, znamienko náboja sa zmení na kladné.
3. Obnova koncentračného gradientu draslíka - prevádzka čerpadla. Draslíkové kanály sú aktivované, draslík prechádza z bunky do extracelulárneho prostredia - začína sa repolarizácia, obnova MPP
4. Stopová depolarizácia alebo negatívny stopový potenciál - membrána je stále depolarizovaná vzhľadom na MPP.
5. Hyperpolarizácia stopy. Draslíkové kanály zostávajú otvorené a dodatočný draslíkový prúd hyperpolarizuje membránu. Potom sa bunka vráti na počiatočnú úroveň MPP. Trvanie AP je pre rôzne bunky od 1 do 3-4 ms.
Obrázok 9 Fázy akčného potenciálu
Všimnite si tri potenciálne hodnoty, ktoré sú dôležité a konštantné pre každú bunku jej elektrických charakteristík.
1. MPP - elektronegativita bunkovej membrány v pokoji, poskytujúca schopnosť excitácie - excitabilita. Na obrázku MPP \u003d -90 mV.
2. KUD - kritická úroveň depolarizácie (alebo prah pre generovanie membránového akčného potenciálu) - je to hodnota membránového potenciálu, po dosiahnutí ktorej sa otvárajú rýchlo, potenciálne závislé sodíkové kanály a membrána sa znovu nabije v dôsledku vstupu kladných sodíkových iónov do bunky. Čím vyššia je elektronegativita membrány, tým je ťažšie ju depolarizovať na FCD, tým je takýto článok menej excitabilný.
3. Potenciálny bod zvratu (prekmit) - taká hodnota pozitívne membránový potenciál, pri ktorom kladne nabité ióny už neprenikajú do bunky – krátkodobý rovnovážny sodíkový potenciál. Na obrázku + 30 mV. Celková zmena membránového potenciálu z –90 na +30 bude pre danú bunku 120 mV, táto hodnota je akčný potenciál. Ak tento potenciál vznikol v neuróne, rozšíri sa pozdĺž nervového vlákna, ak sa vo svalových bunkách rozšíri po membráne svalového vlákna a povedie ku kontrakcii, v žľazovom k sekrécii – k pôsobeniu bunky. Toto je špecifická odpoveď bunky na pôsobenie stimulu, excitácia.
Pri vystavení podnetu podprahová pevnosť dochádza k neúplnej depolarizácii - LOCAL RESPONSE (LO).
Neúplná alebo čiastočná depolarizácia je zmena v náboji membrány, ktorá nedosahuje kritickú úroveň depolarizácie (CDL).
Obrázok 10. Zmena membránového potenciálu ako reakcia na pôsobenie stimulu podprahovej sily – lokálna odpoveď
Lokálna odpoveď má v podstate rovnaký mechanizmus ako AP, jej vzostupná fáza je určená vstupom sodíkových iónov a zostupná fáza je určená výstupom draselných iónov.
Amplitúda LO je však úmerná sile podprahovej stimulácie a nie je štandardná, ako pri PD.
Tabuľka 5
Je ľahké vidieť, že v bunkách existujú podmienky, za ktorých by mal vzniknúť potenciálny rozdiel medzi bunkou a medzibunkovým médiom:
1) bunkové membrány sú dobre priepustné pre katióny (predovšetkým draslík), zatiaľ čo priepustnosť membrán pre anióny je oveľa menšia;
2) koncentrácie väčšiny látok v bunkách a v medzibunkovej tekutine sú veľmi odlišné (porovnaj s tým, čo bolo povedané na str.
). Preto sa na bunkových membránach objaví dvojitá elektrická vrstva („mínus“ na vnútornej strane membrány, „plus“ na vonkajšej strane) a na membráne musí existovať konštantný potenciálny rozdiel, ktorý sa nazýva pokojový potenciál. Membrána je vraj v pokoji polarizovaná.
Prvýkrát bola hypotéza o podobnej povahe PP buniek a difúznom potenciáli Nernsta vyjadrená v roku 1896.
Vedomostná základňa
študent Vojenskej lekárskej akadémie Yu.V. Chagovets. Teraz je tento názor potvrdený mnohými experimentálnymi údajmi. Je pravda, že medzi nameranými hodnotami PP a hodnotami vypočítanými pomocou vzorca (1) existujú určité nezrovnalosti, ale sú vysvetlené dvoma zrejmými dôvodmi. Po prvé, v bunkách nie je jeden katión, ale veľa (K, Na, Ca, Mg atď.). Dá sa to vziať do úvahy nahradením Nernstovho vzorca (1) komplexnejším vzorcom, ktorý zhltol Goldman:
Kde pK je priepustnosť membrány pre draslík, pNa je rovnaké pre sodík, pCl je rovnaké pre chlór; [K + ] e je koncentrácia draselných iónov mimo článku, [K + ] i je rovnaká vo vnútri článku (podobne ako sodík a chlór); elipsa označuje zodpovedajúce výrazy pre iné ióny. Ióny chlóru (a iné anióny) idú opačným smerom ako ióny draslíka a sodíka, takže znamienka „e“ a „i“ sú pre ne v opačnom poradí.
Výpočet pomocou Goldmanovho vzorca poskytuje oveľa lepšiu zhodu s experimentom, ale stále pretrvávajú niektoré nezrovnalosti. Vysvetľuje to skutočnosť, že pri odvodzovaní vzorca (2) sa neuvažovalo s prácou aktívneho transportu. Účtovanie týchto údajov umožňuje dosiahnuť takmer úplnú zhodu s experimentom.
19. Sodíkové a draslíkové kanály v membráne a ich úloha v bioelektrogenéze. Mechanizmus brány. Vlastnosti potenciálne závislých kanálov. Mechanizmus akčného potenciálu. Stav kanálov a povaha tokov iónov v rôznych fázach PD. Úloha aktívneho transportu v bioelektrogenéze. Kritický membránový potenciál. Zákon všetko alebo nič pre vzrušivé membrány. Žiaruvzdorné.
Ukázalo sa, že selektívny filter má „tuhú“ štruktúru, to znamená, že za rôznych podmienok nemení svoju vôľu. Prechody kanála z otvoreného na uzavretý a naopak súvisia s činnosťou neselektívneho filtra, hradlového mechanizmu. Pod hradlovými procesmi vyskytujúcimi sa v jednej alebo druhej časti iónového kanála, ktorá sa nazýva brána, rozumieme akékoľvek zmeny v konformácii proteínových molekúl, ktoré tvoria kanál, v dôsledku čoho sa jeho pár môže otvárať alebo zatvárať. Preto je zvykom nazývať bránu funkčnými skupinami proteínových molekúl, ktoré zabezpečujú procesy brány. Dôležité je, aby brány uvádzali do pohybu fyziologické podnety, teda tie, ktoré sú prítomné v prirodzených podmienkach. Medzi fyziologickými stimulmi zohrávajú zvláštnu úlohu posuny membránového potenciálu.
Existujú kanály, ktoré sú riadené potenciálnym rozdielom na membráne, pričom sú pri niektorých hodnotách membránového potenciálu otvorené a pri iných zatvorené. Takéto kanály sa nazývajú potenciálne závislé. Práve s nimi je spojené generovanie PD. Všetky iónové kanály biomembrán sú vďaka svojmu osobitnému významu rozdelené do 2 typov: napäťovo závislé a napäťovo nezávislé. Prirodzenými stimulmi, ktoré riadia pohyb brány v kanáloch druhého typu, nie sú posuny membránového potenciálu, ale iné faktory. Napríklad v chemosenzitívnych kanáloch patrí úloha kontrolného stimulu chemikáliám.
Základnou súčasťou napäťovo riadeného iónového kanála je snímač napätia. Toto je názov skupiny proteínových molekúl, ktoré môžu reagovať na zmeny v elektrickom poli. Zatiaľ neexistujú žiadne konkrétne informácie o tom, čo sú a ako sa nachádzajú, ale je jasné, že elektrické pole môže vo fyzickom médiu interagovať iba s nábojmi (buď voľnými alebo viazanými). Predpokladalo sa, že Ca2+ (voľné náboje) slúži ako napäťový senzor, keďže zmeny jeho obsahu v medzibunkovej tekutine vedú k rovnakým dôsledkom ako posuny membránového potenciálu. Napríklad desaťnásobný pokles koncentrácie vápenatých iónov v interstíciu je ekvivalentný depolarizácii plazmatickej membrány o približne 15 mV. Neskôr sa však ukázalo, že Ca2+ je potrebný na fungovanie snímača napätia, ale nie je sám osebe. PD sa vytvára aj vtedy, keď koncentrácia voľného vápnika v medzibunkovom médiu klesne pod 10~8 mol. Okrem toho obsah Ca2+ v cytoplazme má vo všeobecnosti malý vplyv na iónovú vodivosť plazmatickej membrány. Je zrejmé, že na napäťový senzor sú viazané náboje - skupiny proteínových molekúl s veľkým dipólovým momentom. Sú vložené do lipidovej dvojvrstvy, ktorá sa vyznačuje skôr nízkou viskozitou (30 - 100 cP) a nízkou dielektrickou konštantou. Tento záver bol vyvodený zo štúdia kinetických charakteristík pohybu napäťového snímača s posunmi membránového potenciálu. Tento pohyb je typickým posunovým prúdom.
Moderný funkčný model sodíkového napäťovo závislého kanála v ňom zabezpečuje existenciu dvoch typov brán, ktoré pracujú v protifáze. Líšia sa inerciálnymi vlastnosťami. Mobilnejšie (ľahké) sa nazývajú m-brány, viac zotrvačné (ťažké) - h - brány. V pokoji sú h-brány otvorené, m-brány zatvorené, pohyb Na+ cez kanál je nemožný. Keď je plazmolema depolarizovaná, brány oboch typov sa začnú pohybovať, ale v dôsledku nerovnakej zotrvačnosti majú m-brány čas
otvorte pred zatvorením h-brány. V tomto momente je sodíkový kanál otvorený a Na + ním prúdi do bunky. Oneskorenie pohybu h-brány voči m-bráne zodpovedá trvaniu depolarizačnej fázy AP. Keď sa h-brána uzavrie, prietok Na + cez membránu sa zastaví a začne sa repolarizácia. Potom sa h - a m - brány vrátia do pôvodného stavu. Potenciálne závislé sodíkové kanály sa aktivujú (zapnú) počas rýchlej (skokovej) depolarizácie plazmatickej membrány. ,
PD vzniká vďaka rýchlejšej difúzii sodných iónov cez plazmatickú membránu v porovnaní s aniónmi, ktoré s ním tvoria soli v medzibunkovom prostredí. Preto je depolarizácia spojená so vstupom sodíkových katiónov do cytoplazmy. S rozvojom PD sa sodík nehromadí v bunke. Pri vzrušení dochádza k prichádzajúcemu a odchádzajúcemu toku sodíka. Výskyt AP nie je spôsobený porušením iónových koncentrácií v cytoplazme, ale poklesom elektrického odporu plazmatickej membrány v dôsledku zvýšenia jej permeability pre sodík.
Ako už bolo spomenuté, pôsobením prahových a nadprahových stimulov excitabilná membrána generuje AP. Tento proces je charakteristický zákona "všetko alebo nič. Je to protiklad postupnosti. Zmyslom zákona je, že parametre AP nezávisia od intenzity podnetu. Po dosiahnutí IMF sú zmeny v potenciálnom rozdiele na excitovateľnej membráne určené iba vlastnosťami jej napäťovo riadených iónových kanálov, ktoré poskytujú prichádzajúci prúd. Medzi nimi vonkajší podnet otvára len tie najcitlivejšie. Iné sa otvárajú na úkor predchádzajúcich, už bez ohľadu na podnet. Hovoria o spantanovej povahe procesu zapájania stále nových potenciálne závislých iónových kanálov do transmembránového transportu iónov. Takže amplitúda. Trvanie a strmosť prednej a zadnej strany AP závisí iba od iónových gradientov na bunkovej membráne a kinetických charakteristík jej kanálov. Zákon všetko alebo nič je najcharakteristickejšou vlastnosťou jednotlivých buniek a vlákien, ktoré majú excitabilnú membránu. Nie je charakteristický pre väčšinu mnohobunkových útvarov. Výnimkou sú štruktúry organizované podľa typu syncýtia.
Dátum publikácie: 25.01.2015; Prečítané: 421 | Porušenie autorských práv stránky
studopedia.org – Studopedia.Org – 2014 – 2018. (0,001 s) ...
Hlavnou fyziologickou funkciou sodíka v ľudskom tele je regulácia objemu extracelulárnej tekutiny, teda určovanie objemu krvi a krvného tlaku. Táto funkcia priamo súvisí s metabolizmom sodíka a tekutín. Okrem toho sa sodík podieľa na tvorbe kostného tkaniva, vedení nervových impulzov atď.
V medicíne sa v prípade rôznych druhov nerovnováhy elektrolytov s cieľom zistiť príčiny tohto stavu vykonávajú analýzy na stanovenie koncentrácie sodíka, ako aj sledovanie rovnováhy tekutín (jeho príjem a vylučovanie).
V ľudskom tele zaberá hmotnosť tekutiny približne 60%, to znamená, že osoba s hmotnosťou 70 kg obsahuje približne 40 litrov tekutiny, z čoho asi 25 litrov je obsiahnutých v bunkách (intracelulárna tekutina - QOL) a 14 litrov sa nachádza vonku. bunky (extracelulárna tekutina - VneKZh). Z celkového množstva extracelulárnej tekutiny približne 3,5 litra zaberá krvná plazma (krvná tekutina, ktorá je vo vnútri cievny systém) a asi 10,5 litra - intersticiálna tekutina (ILF), ktorá vypĺňa priestor v tkanivách medzi bunkami (pozri obr. 1)
Obrázok 1. Distribúcia tekutín v tele dospelého človeka s hmotnosťou 70 kg
Celkové množstvo tekutiny v tele a udržiavanie konštantnej úrovne jej distribúcie medzi oddeleniami pomáha zabezpečiť plné fungovanie všetkých orgánov a systémov, čo je nepochybne kľúčom k dobrému zdraviu. Výmena vody medzi intracelulárnou tekutinou a extracelulárnou tekutinou prebieha cez bunkové membrány. Osmolarita kvapalných roztokov na oboch stranách membrány priamo ovplyvňuje túto výmenu. V podmienkach osmotickej rovnováhy sa kvapalina nebude pohybovať, to znamená, že jej objemy v oddeleniach sa nezmenia. O zdravý človek osmolarita intracelulárnej tekutiny a krvnej plazmy (extracelulárna tekutina) sa udržiava na približne 80-295 mOsmol/kg.
Úloha sodíka pri regulácii objemu extracelulárnej tekutiny
Osmolarita je súčet koncentrácií všetkých kinetických častíc v 1 litri roztoku, to znamená, že závisí od celkovej koncentrácie rozpustených iónov. V ľudskom tele je osmolarita presne určená elektrolytmi, pretože v tekutých médiách (intracelulárne a extracelulárne tekutiny) sú ióny v relatívne vysokých koncentráciách v porovnaní s inými rozpustenými zložkami. Obrázok 2 ukazuje distribúciu elektrolytov medzi intracelulárnymi a extracelulárnymi tekutinami.
Obrázok 2. Koncentrácia rozpustených zložiek v intracelulárnych a extracelulárnych tekutinách
Je dôležité poznamenať, že pre jednomocné ióny (draslík, sodík) meq / l \u003d mmol / l a pre dvojmocné ióny by sa na výpočet množstva mmol / l malo meq vydeliť 2.
Ľavá strana obrázku (ExtraQOL) ukazuje zloženie krvnej plazmy, ktorá je zložením veľmi podobná intersticiálnej tekutine (okrem nízkej koncentrácie bielkovín a vysokej koncentrácie chloridov)
Možno konštatovať, že koncentrácia sodíka v krvnej plazme je určujúcim ukazovateľom objemu extracelulárnej tekutiny a v dôsledku toho aj objemu krvi.
Extracelulárna tekutina má vysoký obsah sodíka a nízky obsah draslíka. Naopak, bunky obsahujú málo sodíka – hlavným vnútrobunkovým katiónom je draslík. Tento rozdiel v koncentráciách elektrolytov v extracelulárnych a intracelulárnych tekutinách je udržiavaný mechanizmom aktívneho transportu iónov za účasti sodíkovo-draslíkovej pumpy (pumpy) (pozri obr. 3).
Obrázok 3. Udržiavanie koncentrácií sodíka a draslíka v QoL a ExtraQOL
Sodíkovo-draslíková pumpa, lokalizovaná na bunkových membránach, je neprchavý systém, ktorý sa nachádza vo všetkých typoch buniek. Vďaka tomuto systému sa ióny sodíka odstraňujú z buniek výmenou za ióny draslíka. Bez takéhoto transportného systému boli ióny draslíka a sodíka v stave pasívnej difúzie cez bunkovú membránu, čo by viedlo k iónovej rovnováhe medzi extracelulárnymi a intracelulárnymi tekutinami.
Vysoká osmolarita extracelulárnej tekutiny je spôsobená aktívnym transportom sodíkových iónov z bunky, čo zabezpečuje ich vysoký obsah v extracelulárnej tekutine. Vzhľadom na skutočnosť, že osmolarita ovplyvňuje distribúciu tekutiny medzi ECF a CF, objem extracelulárnej tekutiny je priamo závislý od koncentrácie sodíka.
REGULÁCIA VODNEJ BILANCIE
Príjem tekutín do ľudského tela musí byť primeraný jej odvádzaniu, inak môže dôjsť k nadmernej hydratácii alebo dehydratácii. Na vylučovanie (odstránenie) toxických látok (jedovatých látok vznikajúcich v organizme pri látkovej premene (metabolizme)) musia obličky denne vylučovať aspoň 500 ml moču. K tomuto množstvu je potrebné pridať 400 ml tekutiny, ktorá sa denne vylučuje pľúcami počas dýchania, 500 ml - vylučovaná kožou a 100 ml - stolicou. V dôsledku toho ľudské telo denne stratí v priemere 1500 ml (1,5 l) tekutín.
Treba si uvedomiť, že v ľudskom tele sa v procese látkovej premeny (ako dôsledok vedľajšieho produktu látkovej premeny) denne syntetizuje približne 400 ml vody. Aby sa teda udržala minimálna úroveň vodnej bilancie, telo musí prijať aspoň 1100 ml vody denne. V skutočnosti denný objem prichádzajúcej tekutiny často prekračuje uvedenú minimálnu úroveň, zatiaľ čo obličky v procese regulácie vodnej rovnováhy odvádzajú vynikajúcu prácu pri odstraňovaní prebytočnej tekutiny.
Väčšina ľudí má priemerný denný objem moču okolo 1200-1500 ml. V prípade potreby môžu obličky produkovať oveľa viac moču.
Osmolarita krvnej plazmy je spojená s prietokom tekutín do tela a procesom tvorby a vylučovania moču. Napríklad, ak strata tekutiny nie je adekvátne nahradená, objem extracelulárnej tekutiny sa znižuje a osmolarita sa zvyšuje, čo vedie k zvýšeniu tekutiny prichádzajúcej z buniek tela do extracelulárnej tekutiny, čím sa obnoví jej osmolarita a hlasitosť na požadovanú úroveň. Takáto vnútorná distribúcia tekutiny je však účinná len po obmedzenú dobu, keďže tento proces vedie k dehydratácii (dehydratácii) buniek, v dôsledku čoho telo potrebuje prijímať viac tekutín zvonku.
Obrázok 4 je schematické znázornenie fyziologickej odozvy na nedostatok tekutín v tele.
Obrázok 4 Udržiavanie normálnej vodnej rovnováhy v tele je regulované hypotalamo-hypofyzárnym systémom, pocitom smädu, primeranou syntézou antidiuretického hormónu a plnou funkciou obličiek.
Pri nedostatku tekutín v tele prúdi vysokoosmolárna krvná plazma cez hypotalamus, v ktorom osmoreceptory (špeciálne bunky) analyzujú stav plazmy a dávajú signál na spustenie mechanizmu znižovania osmolarity stimuláciou sekrécie antidiuretického hormónu. (ADH) v hypofýze a pocit smädu. Pri smäde sa človek snaží kompenzovať nedostatok tekutín zvonka konzumáciou nápojov alebo vody. Antidiuretický hormón ovplyvňuje funkciu obličiek, čím bráni odstraňovaniu tekutín z tela. ADH podporuje zvýšenú reabsorpciu (reabsorpciu) tekutiny zo zberných kanálikov a distálnych tubulov obličiek, čo vedie k produkcii relatívne malého množstva moču s vyššou koncentráciou. Napriek takýmto zmenám v krvnej plazme umožňujú moderné diagnostické analyzátory posúdiť stupeň hemolýzy a zmerať skutočnú hladinu draslíka v plazme hemolyzovaných vzoriek krvi.
Keď sa do tela dostane veľké množstvo tekutiny, osmolarita extracelulárnej tekutiny klesá. Zároveň nedochádza k stimulácii osmoreceptorov v hypotalame – človek nepociťuje smäd a nezvyšuje sa mu hladina antidiuretického hormónu. Aby sa zabránilo nadmernému zaťaženiu vodou, obličky produkujú veľké množstvo zriedeného moču.
Všimnite si, že približne 8000 ml (8 litrov) tekutiny denne vstupuje do gastrointestinálneho traktu vo forme žalúdočných, črevných a pankreatických štiav, žlče a slín. Za normálnych podmienok sa približne 99 % tejto tekutiny reabsorbuje a len 100 ml sa vylúči stolicou. Porušenie funkcie zadržiavania vody, ktorá je obsiahnutá v týchto tajomstvách, však môže viesť k nerovnováhe vody, ktorá spôsobí vážne poruchy v stave celého organizmu.
Ešte raz venujme pozornosť faktorom, ktoré ovplyvňujú normálnu reguláciu vodnej bilancie v ľudskom tele:
- Pocit smädu(na prejav smädu musí byť človek pri vedomí)
- Plné fungovanie hypofýzy a hypotalamu
- Plné fungovanie obličiek
- Plné fungovanie gastrointestinálneho traktu
REGULÁCIA ROVNOVÁHY SODÍKA
Pre normálne fungovanie a zdravie tela je udržiavanie rovnováhy sodíka rovnako dôležité ako udržiavanie rovnováhy vody. V normálnom stave obsahuje telo dospelého človeka približne 3000 mmol sodíka. Väčšina sodíka je obsiahnutá v extracelulárnej tekutine: krvnej plazme a intersticiálnej tekutine (koncentrácia sodíka v nich je asi 140 mmol / l).
Denná strata sodíka je minimálne 10 mmol/l. Na udržanie normálnej rovnováhy v organizme je potrebné tieto straty kompenzovať (doplniť). Jedlom ľudia prijímajú oveľa viac sodíka, ako telo potrebuje kompenzovať (jedlom, zvyčajne vo forme slaných korenín, človek denne prijme v priemere 100-200 mmol sodíka). Avšak aj napriek veľkej variabilite príjmu sodíka v tele regulácia obličiek zabezpečuje vylučovanie nadbytočného sodíka močom, čím sa udržiava fyziologická rovnováha.
Proces vylučovania (odstraňovania) sodíka obličkami priamo závisí od GFR (rýchlosť glomerulárnej filtrácie). Vysoká rýchlosť glomerulárnej filtrácie zvyšuje množstvo vylučovania sodíka v tele, zatiaľ čo nízka GFR ho oneskoruje. Približne 95 – 99 % sodíka prechádzajúceho procesom glomerulárnej filtrácie sa aktívne reabsorbuje, keď moč prechádza cez proximálne stočené tubuly. V čase, keď ultrafiltrát vstúpi do distálneho stočeného tubulu, je množstvo sodíka už filtrovaného v obličkových glomerulách 1-5%. Či sa zvyšný sodík vylúči močom alebo sa reabsorbuje do krvi, závisí priamo od koncentrácie hormónu nadobličiek aldosterónu v krvi.
aldosterón zvyšuje reabsorpciu sodíka výmenou za vodíkové alebo draselné ióny, čím ovplyvňuje bunky distálnych tubulov obličiek. To znamená, že za podmienky vysokého obsahu aldosterónu v krvi sa väčšina zvyškov sodíka reabsorbuje; pri nízkych koncentráciách sa sodík vylučuje močom vo veľkých množstvách.
Obrázok 5
Riadi proces tvorby aldosterónu (pozri obrázok 5). Renin- enzým, ktorý produkujú obličky v bunkách juxtaglomerulárneho aparátu ako odpoveď na zníženie prietoku krvi obličkovými glomerulami. Pretože rýchlosť renálny prietok krvi, ako aj prietok krvi inými orgánmi, závisí od objemu krvi, preto od koncentrácie sodíka v krvi sa zvyšuje sekrécia renínu v obličkách pri znížení hladiny sodíka v plazme.
Renín enzymaticky rozkladá proteín, známy aj ako renínový substrát. Jedným z produktov tohto štiepenia je angiotenzínja- peptid obsahujúci 10 aminokyselín.
Ďalším enzýmom je ACE ( angiotenzín konvertujúci enzým), ktorý sa syntetizuje hlavne v pľúcach. V procese metabolizmu ACE oddeľuje od angiotenzínu I dve aminokyseliny, čo vedie k tvorbe oktopeptidu – hormónu angiotenzínu II. .
angiotenzínII má pre telo veľmi dôležité vlastnosti:
- Vazokonstrikcia- zovretie cievy ktorý zvyšuje krvný tlak a obnovuje normálny prietok krvi obličkami
- Stimuluje produkciu aldosterónu v bunkách kôry nadobličiek, čím sa aktivuje reabsorpcia sodíka, ktorá pomáha obnoviť normálny prietok krvi obličkami a celkový objem krvi v tele.
So zvýšením objemu krvi a krvného tlaku vylučujú srdcové bunky hormón, ktorý je antagonistom aldosterónu - ANP ( atriálny natriuretický peptid alebo PNP). ANP pomáha znižovať reabsorpciu sodíka v distálnych tubuloch obličiek, čím zvyšuje jeho vylučovanie močom. To znamená, že systém "spätnej väzby" poskytuje jasnú reguláciu rovnováhy sodíka v tele.
Títo odborníci tvrdia, že každý deň sa do ľudského tela dostane cez gastrointestinálny trakt približne 1500 mmol sodíka. Približne 10 mmol sodíka, ktorý sa vylúči stolicou, sa reabsorbuje. Pri poruche funkcie tráviaceho traktu klesá množstvo reabsorbovaného sodíka, čo vedie k jeho nedostatku v organizme. Pri narušenom mechanizme renálnej kompenzácie sa začínajú objavovať známky tohto nedostatku.
Udržanie normálnej rovnováhy sodíka v tele závisí od 3 hlavných faktorov:
- Funkcie obličiek
- sekrécia aldosterónu
- Fungovanie gastrointestinálneho traktu
DRASLÍK
Draslík sa podieľa na vedení nervových impulzov, procese svalovej kontrakcie a zabezpečuje pôsobenie mnohých enzýmov. Ľudské telo obsahuje v priemere 3000 mmol draslíka, z čoho väčšina je obsiahnutá v bunkách. Koncentrácia draslíka v krvnej plazme je približne 0,4 %. Hoci sa jeho koncentrácia v krvi dá zmerať, výsledok rozboru nebude objektívne odrážať celkový obsah draslíka v tele. Na udržanie celkovej rovnováhy draslíka je však potrebné udržiavať požadovanú hladinu koncentrácie tohto prvku v krvnej plazme.
Regulácia rovnováhy draslíka
Telo denne stráca najmenej 40 mmol draslíka stolicou, močom a potom. Udržiavanie potrebnej rovnováhy draslíka si vyžaduje doplnenie týchto strát. Strava, ktorá obsahuje zeleninu, ovocie, mäso a chlieb, poskytuje približne 100 mmol draslíka denne. aby sa zabezpečila potrebná rovnováha, nadbytok draslíka sa vylučuje močom. Proces filtrácie draslíka, podobne ako sodíka, prebieha v obličkových glomerulách (spravidla sa reabsorbuje v proximálnej (počiatočnej) časti obličkových tubulov. Jemná regulácia prebieha v zberných glomeruloch a distálnych tubuloch (draslík sa môže reabsorbovať resp. vylučované výmenou za ióny sodíka).
Systém renín-angiotenzín-aldosterón reguluje metabolizmus sodíka a draslíka, respektíve ho stimuluje (aldosterón spúšťa reabsorpciu sodíka a proces vylučovania draslíka močom).
Množstvo draslíka vylúčeného močom je navyše dané funkciou obličiek pri regulácii acidobázickej rovnováhy (pH) krvi v rámci fyziologických hraníc normy. Napríklad jedným z mechanizmov na zabránenie oxidácii krvi je vylučovanie nadbytočných vodíkových iónov z tela močom (k tomu dochádza výmenou vodíkových iónov za ióny sodíka v distálnych renálnych tubuloch). Pri acidóze sa teda môže menej sodíka vymeniť za draslík, čo má za následok menšie vylučovanie draslíka obličkami. Existujú aj iné spôsoby interakcie medzi acidobázickým stavom a draslíkom.
V normálnom stave sa približne 60 mmol draslíka vylúči v gastrointestinálnom trakte, kde sa väčšina z nich reabsorbuje (pri stolici telo stráca asi 10 mmol draslíka). Pri dysfunkcii gastrointestinálneho traktu dochádza k narušeniu mechanizmu reabsorpcie, čo môže viesť k nedostatku draslíka.
Transport draslíka cez bunkové membrány
Nízka koncentrácia draslíka v extracelulárnej tekutine a vysoká koncentrácia v intracelulárnej tekutine je regulovaná sodíkovo-draslíkovou pumpou. Inhibícia (inhibícia) alebo stimulácia (intenzifikácia) tohto mechanizmu ovplyvňuje koncentráciu draslíka v krvnej plazme, keďže sa mení pomer koncentrácií v extracelulárnych a intracelulárnych tekutinách. Všimnite si, že vodíkové ióny súťažia s iónmi draslíka pri prechode cez bunkové membrány, to znamená, že hladina draslíka v krvnej plazme ovplyvňuje acidobázickú rovnováhu.
Významné zníženie alebo zvýšenie koncentrácie draslíka v krvnej plazme vôbec nenaznačuje nedostatok alebo nadbytok tohto prvku v tele ako celku - môže to znamenať porušenie potrebnej rovnováhy extra- a intracelulárneho draslíka.
K regulácii koncentrácie draslíka v krvnej plazme dochádza v dôsledku nasledujúcich faktorov:
- Diétny príjem draslíka
- Funkcie obličiek
- Funkcie gastrointestinálneho traktu
- Produkcia aldosterónu
- Acidobázická rovnováha
- sodno-draselná pumpa
Vzrušivosť - schopnosť buniek a tkanív prejsť do stavu fyziologickej aktivity pod vplyvom akýchkoľvek vonkajších vplyvov (podnetov), ktoré dosiahli prahovú hodnotu. Akékoľvek živé bunky, vrátane rastlinných, majú excitabilitu, ale najvýraznejšia je v živočíšnych bunkách – ako sú nervové, svalové a žľazové.
Každý špecialista, ktorý sa zaoberá štúdiom zvieracieho a ľudského tela, musí pochopiť, že sú to excitabilné bunky, ktoré tvoria základ NS, vnímajú signály z vonkajšieho a vnútorného prostredia tela a poskytujú jeho odpovede.
Všetky excitabilné bunky majú tri vlastnosti:
1) PN alebo membránový potenciál, - rozdiel v elektrickom potenciáli medzi vnútrobunkovým prostredím a prostredím obklopujúcim bunku;
- 2) IID - schopnosť generovať krátku elektrickú odozvu pod vplyvom akéhokoľvek stimulu, ktorého intenzita dosiahla určitý prah;
- 3) vodivosť - schopnosť distribuovať AP po celom tele bunky a jej procesoch.
Urobme nasledujúci experiment. Ak vezmeme neurón, ktorý je momentálne v pokoji a vložíme doň tenkú sklenenú mikroelektródu s hrotom nie väčším ako 1 μm v priemere, tak takýto hrot nespôsobí viditeľné poškodenie bunky. Dutina sklenenej elektródy musí byť naplnená kvapalinou, ktorá dobre vedie prúd (elektrolytom). Najčastejšie sa na tento účel používa roztok chloridu draselného (KC1). Elektróda je pripojená k voltmetru. Kým je hrot elektródy v medzibunkovom prostredí, ihla mikrovoltmetra je na nule (obr. 8.1).
Ryža. 8.1.
a- kresba z mikrofotografie; b - registračnú schému pokojového potenciálu
vloženie hrotu mikroelektródy do neurónu; v - skok membránového potenciálu v momente vloženia hrotu mikroelektródy do neurónu (4)
V momente prepichnutia neurónovej membrány sa zaznamená potenciálny skok nadol na úroveň približne -70 mV. Toto je membránový potenciál alebo PP. Ak sa elektróda nepohne, ale pre neurón sa vytvoria správne podmienky (zloženie okolitého roztoku, teplota), potom sa PP udrží bez viditeľných zmien niekoľko hodín. PP sa nachádza vo všetkých excitabilných bunkách a jeho hodnota sa pohybuje od -30 do -100 mV v závislosti od toho, ktoré bunky sa testujú.
Oddychový potenciál bol objavený v polovici 19. storočia. veľký švajčiarsky fyziológ Emile Dubois-Reimonou a jeho študent Július Bernstein vytvoril úplne prvú teóriu, ktorá vysvetlila, prečo vo vnútri excitabilných buniek v stave pokoja je zaznamenaný jasný prebytok záporných nábojov. Na základe údajov získaných viacerými výskumníkmi Bernstein čiastočne stanovil a čiastočne navrhol nasledovné:
- - v cytoplazme excitabilných buniek je oveľa viac iónov K + ako v prostredí a iónov Na + a C1 ~ je oveľa menej;
- - excitabilné bunky sú pokryté polopriepustnou membránou, ktorá v pokoji voľne prepúšťa ióny Na +, Ca 2+, C1 _ atď.
Ak je to tak, časť iónov K + by mala prejsť cez bunkovú membránu do medzibunkového prostredia, pričom v bunke zostane prebytok párových K + negatívne nabitých častíc - aniónov.
Preto na vnútornom povrchu bunkovej membrány vzniká negatívny náboj (obr. 8.2).
Ryža. 8.2.Úloha K + iónov pri vzniku a udržiavaní pokojového potenciálu (RP):
a - výskyt PP v dôsledku difúzie K + iónov cez trvalo otvorené únikové kanály; b - zmena hladiny PP so zmenou koncentrácie K* v
vonkajšie prostredie
Ale prebytok záporne nabitých častíc k sebe pritiahne ióny K +, čím im zabráni opustiť bunku, a ióny K, ktoré vstúpili do medzibunkového priestoru, budú tiež „odpudzovať“ kladne nabité častice, čím zabránia novým častiam K + opustiť bunku. Výsledkom je, že K + pokračuje len dovtedy, kým sa sila difúzie (koncentračný tlak) a sila elektrického poľa nevyrovnajú.
Prúd iónov sa pri dosiahnutí PP nezastaví, pretože sú tu neustále otvorené kanály a K + pokračuje v pohybe cez membránu, ale počet iónov, ktoré vstúpili do bunky a opustili ju, je teraz rovnaký. Takýto stav sa nazýva dynamická rovnováha – rovnosť dvoch opačne smerujúcich procesov. Ak jeden z procesov zosilnie alebo zoslabne, potom sa rovnovážny bod posunie. Napríklad, ak, ako to urobil Bernstein, umelo zvýšime koncentráciu K + v medzibunkovom médiu, potom to bude prirodzene interferovať s uvoľňovaním nových častí kladne nabitých častíc (K +) z bunky a PP sa stane menej negatívny, posunutie na nulu (pozri obr. obr. 8.2). Ak umelo vyrovnáme koncentráciu K + v cytoplazme a mimo bunky, potom sa PP bude rovnať nule. Bernstein teda dokázal, že PP v excitabilnej bunke je určený rozdielom v koncentrácii K + vo vnútri tejto bunky a v extracelulárnom prostredí. Bernstein navrhol použiť rovnicu odvodenú podľa Walter Nernst pre umelý systém, čo sú dva roztoky KC1 rôznych koncentrácií, oddelené umelou membránou priepustnou len pre K + (obr. 8.3).
Ryža. 83.
a - principiálna schéma dvojnádobového zariadenia (1 a 2), obsahujúce rôzne koncentrácie KS1 a oddelené membránou priepustnou len pre K+;
6 - tok (znázornený šípkami) katiónov (+) cez membránu z oblasti s ich vyššou koncentráciou (1) do oblasti s nižšou koncentráciou (2), čo vedie k objaveniu sa potenciálu na membráne
Do jednej nádoby nalial 10% roztok KC1 a do druhej 1% roztok tejto soli. V oboch roztokoch sa KS1 disocioval na K + a SP, ale v nádobe 1 bolo spočiatku 10-krát viac katiónov (K +) a aniónov (C1 ") ako v nádobe 2. Pretože roztoky oddeľujúce semipermeabilnú membránu dobre prepúšťajú katióny, potom časť draslíkových iónov (K+) prešlo z nádoby 1, kde bola koncentrácia KS1 spočiatku vyššia, do nádoby 2, v ktorej bola koncentrácia KS1 10-krát nižšia. Pretože draselné ióny nesú kladný náboj, v nádobe 2 bude viac kladných nábojov ako záporných. V nádobe 1 teda bude určitý nadbytok "opustených" chloridových aniónov, ktoré stratili svoje draselné katióny. Záporne nabité ióny C1 však pritiahnu späť časť kladne nabitých iónov K + v dôsledku interakcie elektrických nábojov. Po niekoľkých okamihoch sa toky K + z nádoby 1 do nádoby 2 a naopak vyrovnajú. Avšak v nádobe 1 bude stále menej iónov K + ako iónov C1_ (napokon časť K* prešla do nádoby 2) a v nádobe 2 bude viac iónov K + ako iónov C1_ (v dôsledku tie, ktoré prišli z plavidla 1). Preto bude roztok v nádobe 1 negatívne nabitý vzhľadom na roztok v nádobe 2.
Medzi riešeniami sa vytvorí Nernstov potenciál, ktorý sa podľa Nernstovej rovnice rovná
kde E - veľkosť potenciálu vznikajúceho medzi roztokmi naliatymi do nádoby 1 a nádoby 2; R- plynová konštanta; T - teplota; F- Faradayovo číslo; Z - valencia; [OD (- koncentrácia iónov K + v nádobe 1; [C 2 ] koncentrácia iónov K + v nádobe 2.
Bernstein navrhol použiť vyššie uvedenú Nernstovu rovnicu na určenie membránového potenciálu, keď vedel, že je to K+, ktorý môže prechádzať cez membránu pokojnej excitovateľnej bunky. Ukázalo sa však, že pomer koncentrácií katiónov draslíka vo vnútri a mimo bunky nie je 1:10 (ako v umelom experimentálnom systéme Nernsta), ale úplne iný. Takže vo svalových bunkách je 49-krát viac draslíka ako v prostredí obklopujúcom bunky. Ale v prostredí, t.j. okolo excitabilných buniek sú sodné ióny (Na +) približne 10-krát väčšie ako vo vnútri buniek. Keď je však bunka v pokoji, sodík nemôže preniknúť bunkovou membránou do bunky a nepodieľa sa na vytvorení 1111. Za posledných 70 rokov mnohí vedci presvedčivo dokázali prostredníctvom originálnych experimentov, že negatívny náboj pokojovej excitability bunka je spôsobená tým, že časť iónov draslíka vystupuje cez vonkajšiu membránu do vonkajšieho prostredia, kým sa neustanoví dynamická rovnováha: koľko iónov draslíka bunku opustilo, rovnaký počet vstúpi späť. Súčasne sa na membráne vytvorí PP, ktorý je charakteristický pre tento typ excitabilných buniek a je určený skutočnosťou, že nadbytok negatívne nabitých iónov - aniónov, najmä veľkých proteínových molekúl s negatívnym nábojom, "opustí" katiónmi, t.j. zostáva v cytoplazme bunky. draselné ióny. Anióny nemôžu prechádzať cez membránu a zostávajú v bunke, čím určujú negatívny náboj cytoplazmy.
Neskôr sa však ukázalo, že membrána neurónov má malý počet neustále otvorených kanálov pre draslík, cez ktoré sodíkové katióny pozdĺž koncentračného gradientu (okolo neurónu je 10-krát viac sodíka ako v cytoplazme) neustále prenikajú do bunky, posun o 1111 do menej záporných hodnôt.
Malý sodíkový prúd vstupujúci do bunky (únikový prúd), ktorý mení IIII, robí neurón vzrušujúcejším; čím je tento prúd výraznejší, tým silnejší je IIII posunutý k týmto prahovým hodnotám, po ktorom nasleduje prechod neurónu do stavu excitácie. Takto je možné udržiavať neuróny niektorých systémov na vysokej úrovni excitability a iných na nízkej úrovni. Ako sa zistilo, medzibunkové médium obsahuje päťkrát viac chloridových iónov (C1“) ako v cytoplazme, avšak v pokoji je prietok chloridových iónov cez vonkajšiu membránu do bunky veľmi malý a predstavuje len 4 %. v porovnaní s prúdom draselných iónov, ale presne povedané, na presné určenie hodnoty HGP v Nernstovej rovnici je potrebné nahradiť hodnoty permeability pre všetky typy iónov, ktoré môžu preniknúť cez bunkovú membránu v pokoji a zmeniť sa RI. Výsledná rovnica je pomenovaná po Goldman - Hodgkin - Katz:
kde R - priepustnosť membrán pre zodpovedajúce ióny.
Mechanizmus tvorby PP, koncentrácia iónov mimo a vo vnútri buniek, priepustnosť vonkajšej membrány pre ióny - to všetko sa študovalo na rôznych objektoch, avšak hlavným typom buniek, na ktorých sa experimenty uskutočnili, boli neuróny chobotnice (presnejšie axóny týchto neurónov). V tridsiatych rokoch 20. storočia zistilo sa, že axóny neurónov niektorých ganglií (hviezdicových ganglií) týchto hlavonožcov majú obrovský priemer (až 1 mm) a je veľmi vhodné s tým experimentovať.
Takže PP excitabilnej bunky je určený niekoľkými faktormi, z ktorých hlavné sú, samozrejme, rozdiel v koncentráciách K + vo vnútri a mimo bunky a voľný prúd K + prechádzajúci cez membránu. Určitú úlohu pri tvorbe PP zohrávajú slabé prichádzajúce prúdy Na + a C1', pre ktoré je membrána bunky v pokoji takmer nepriepustná. Zmenou ktoréhokoľvek z týchto parametrov je možné do určitej miery zmeniť RI, čím sa zmení schopnosť bunky excitovať.
Oba tieto prvky sú v prvej skupine Mendelejevovho systému – sú susedmi a v mnohých ohľadoch si navzájom podobné. Aktívne, typické kovy, ktorých atómy sa ľahko rozdelia s ich jediným vonkajším elektrónom a prechádzajú do iónového stavu, tieto prvky tvoria početné soli, ktoré sú v prírode rozšírené. Bližšie skúmanie však odhalí, že biologické funkcie sodíka a draslíka nie sú rovnaké. Draselné soli sú lepšie absorbované pôdnym komplexom, takže rastlinné tkanivá obsahujú relatívne viac draslíka, zatiaľ čo sodné soli prevládajú v morskej vode. V biologických strojoch oba tieto ióny niekedy pôsobia spoločne, niekedy presne opačne.
Oba ióny sa podieľajú na šírení elektrických impulzov pozdĺž nervu. V pokojovom nerve v jeho vnútornej časti je sústredený negatívny náboj (obr. 20, a) a na vonkajšej strane je kladný; koncentrácia iónov draslíka je väčšia ako koncentrácia iónov sodíka vo vnútri nervu. Pri podráždení sa mení priepustnosť membrány nervových vlákien a sodíkové ióny sa ponáhľajú do nervu rýchlejšie, než draselné ióny stihnú odtiaľ odísť (obr. 20, b). V dôsledku toho sa na vonkajšej strane nervového vlákna objaví negatívny náboj (nie je tam dostatok katiónov) a pozitívny náboj sa objaví vo vnútri nervu (kde je teraz nadbytok katiónov) (obr. 20c). Na vonkajšej strane vlákna začína difúzia sodíkových iónov zo susedných častí do tej, ktorá je ochudobnená o sodíkové ióny. Energetická difúzia vedie k objaveniu sa negatívneho náboja už v susedných oblastiach (obr. 20, d), pričom v počiatočnom stave sa obnoví počiatočný stav. Stav polarizácie (plus - vnútri, mínus - vonku) sa teda pohyboval pozdĺž nervového vlákna. Ďalej sa všetky procesy opakujú a nervový impulz sa pomerne rýchlo šíri po celom nerve. V dôsledku toho je mechanizmus šírenia elektrického impulzu pozdĺž nervu spôsobený odlišnou permeabilitou membrány nervových vlákien vo vzťahu k sodným a draselným iónom.
Otázka priepustnosti bunkových membrán pre určité látky je mimoriadne dôležitá. Prechod látky cez biologickú membránu nie vždy pripomína jednoduchú difúziu cez poréznu prepážku. Takže napríklad glukóza a iné sacharidy prechádzajú cez membránu erytrocytov pomocou špeciálneho nosiča, ktorý prenáša molekuly cez membránu. V tomto prípade musia byť splnené špeciálne podmienky – molekula sacharidu musí mať určitý tvar, musí byť ohnutá tak, aby jej obrys nadobudol tvar stoličky, inak k prenosu nemusí dôjsť. Koncentrácia sacharidov vo vonkajšom prostredí je väčšia ako vo vnútri erytrocytu, preto sa tento prenos nazýva pasívny.
Existujú prípady, keď je membrána pre určité ióny tesne uzavretá: najmä v mitochondriách vnútorná membrána vôbec neumožňuje prechod draslíkových iónov. Tieto ióny sa však dostávajú do mitochondrií, ak prostredie obsahuje antibiotiká valinomycín alebo gramicidín. Valinomycín sa špecializuje najmä na draselné ióny (môže prenášať aj ióny rubídia a cézia), gramicidín nesie okrem draslíka aj ióny sodíka, lítia, rubídia a cézia.
Zistilo sa, že molekuly takýchto vodičov majú tvar šišky, ktorej polomer otvoru je taký, že vo vnútri šišky je umiestnený ión draslíka, sodíka alebo iného alkalického kovu. Tieto antibiotiká sa nazývali ionofóry ("nosiče iónov"). Na obr. 21 znázorňuje diagramy transportu iónov cez membránu molekulami valinomycínu a gramicidínu. Je veľmi pravdepodobné, že toxický účinok, ktorý majú antibiotiká na rôzne mikroorganizmy, je spôsobený práve tým, že v ich prítomnosti začnú membrány prepúšťať tie ióny, ktoré tam nemajú byť; to narúša fungovanie chemických systémov bunky mikroorganizmu a vedie k jej smrti alebo k vážnym poruchám, ktoré zastavujú jej reprodukciu.
Podstatnú úlohu v biologických strojoch zohrávajú aktívne prenosy cez membrány (pozri kap. 8). Vynára sa otázka: odkiaľ pochádza energia potrebná na aktívny prenos a je možné ho uskutočniť bez špeciálneho nosiča?
Čo sa týka energie, tú v konečnom dôsledku dodávajú tie isté univerzálne molekuly ATP alebo kreatínfosfátu, ktorých hydrolýza je sprevádzaná uvoľňovaním veľkého množstva energie. Ale pokiaľ ide o nosiče, otázka je menej jasná, aj keď niet pochýb o tom, že tu nemožno upustiť od kovových iónov draslíka a sodíka.
Koncentrácia rôznych látok v bunke (bielkoviny a minerály) je vyššia ako v prostredí; z tohto dôvodu je bunka najčastejšie ohrozená nadmerným prienikom vody do nej (v dôsledku osmózy). Aby sa toho bunka zbavila, pumpuje do prostredia sodíkové ióny a tým vyrovnáva osmotický tlak. Z tohto dôvodu je koncentrácia sodíkových iónov v bunke menšia ako v prostredí. Tu je opäť odhalený rozdiel medzi sodíkom a draslíkom. Sodík sa odstráni a koncentrácia draselných iónov je vo vnútri bunky relatívne väčšia. Takže červená krvinka obsahuje asi päťkrát viac draslíka ako sodíka.
A obsah draslíka je vo svaloch vysoký: na 100 g surového svalového tkaniva obsahuje draslík 366 mg a sodík 65 mg. Draslík vo svaloch uľahčuje prechod z globulárnej formy aktínu na fibrilárnu formu, ktorá je spojená s myozínom (pozri vyššie).
V niektorých prípadoch je enzým aktivovaný draselným iónom inhibovaný iónmi sodíka a naopak. Pozornosť biochemikov preto zaujal objav enzýmu, ktorý na svoje pôsobenie vyžaduje oba ióny. Tento enzým urýchľuje hydrolýzu ATP a nazýva sa (K + Na) ATPáza. Aby sme pochopili jeho úlohu a mechanizmus pôsobenia, musíme sa opäť obrátiť na procesy prenosu.
Ako sme už uviedli, vo vnútri buniek je zvýšená koncentrácia draselných iónov a v okolitom bunkovom prostredí je relatívne viac sodíka. Odčerpávanie sodíkových iónov z bunky vedie k zvýšenému vstupu draselných iónov do bunky, ako aj iných látok (glukóza, aminokyseliny). Sodné a draselné ióny sa môžu vymieňať podľa princípu „ión za ión“ a potom nie je potenciálny rozdiel na oboch stranách bunkovej membrány. Ak je však vo vnútri bunky viac draselných iónov ako sodíkových iónov, môže dôjsť k potenciálnemu skoku (asi 100 mV); systém čerpania sodíka sa nazýva "sodíková pumpa". Ak sa v tomto prípade objaví potenciálny rozdiel, potom sa používa termín "elektrogénna sodíková pumpa".
Zavedenie veľkého množstva iónov draslíka do bunky je nevyhnutné, pretože ióny draslíka podporujú syntézu bielkovín (v ribozómoch) a tiež urýchľujú proces glykolýzy.
Práve v bunkovej membráne sa nachádza (K + Na) ATP-áza - proteín s molekulovou hmotnosťou 670 000, ktorý sa ešte nepodarilo oddeliť od membrán. Tento enzým hydrolyzuje ATP a energia hydrolýzy sa využíva na jeho transport v smere zvyšujúcej sa koncentrácie.
Pozoruhodnou vlastnosťou (K + Na) ATP-ázy je, že v procese hydrolýzy ATP je aktivovaná zvnútra bunky iónmi sodíka (a tým zabezpečuje vylučovanie sodíka) a zvonka bunky ( zo strany prostredia) draselnými iónmi (uľahčujúce ich zavedenie do bunky); v dôsledku toho dochádza k distribúcii iónov týchto kovov potrebných pre bunku. Je zaujímavé, že sodíkové ióny v bunke nemožno nahradiť žiadnymi inými iónmi. ATPáza je aktivovaná zvnútra iba iónmi sodíka, ale draselné ióny pôsobiace zvonku môžu byť nahradené iónmi rubídia alebo amónia.
Pre funkcie jednotlivých orgánov, najmä srdca, je dôležitá nielen koncentrácia iónov draslíka, sodíka, vápnika a horčíka, ale aj ich pomer, ktorý by mal ležať v určitých medziach. Pomer koncentrácií týchto iónov v ľudskej krvi sa príliš nelíši od zodpovedajúceho pomeru charakteristického pre morskú vodu. Je možné, že biologická evolúcia, od prvých foriem života, ktoré vznikli vo vodách primárneho oceánu alebo na jeho plytčinách, až po jeho vyššie formy, zachovala niektoré chemické „odtlačky“ dávnej minulosti...
Ak sa vrátime na začiatok tejto kapitoly, opäť si pripomenieme multifunkčnosť iónov, ich schopnosť vykonávať v organizmoch širokú škálu úloh. Vápnik, sodík, draslík a kobalt prejavujú túto schopnosť rôznymi spôsobmi. Kobalt tvorí silný komplex korínového typu a tento komplex už katalyzuje rôzne reakcie. Vápnik, sodík, draslík pôsobia ako aktivátory. Ale horčíkový ión môže pôsobiť ako aktivátor aj ako integrálna súčasť silnej komplexnej zlúčeniny - chlorofylu, jednej z najdôležitejších zlúčenín vytvorených prírodou.
Vynikajúci vedec K. A. Timiryazev venoval chlorofylu prácu, ktorú nazval „Slnko, život a chlorofyl“, pričom v nej naznačil, že práve chlorofyl je spojovacím článkom, ktorý spája procesy uvoľňovania energie v Slnku so životom na Zemi.
V ďalšej kapitole sa budeme zaoberať vlastnosťami tejto zaujímavej zlúčeniny.
Myšlienku dvoch foriem konvertibilnej energie som vyjadril v roku 1975. O dva roky neskôr tento názor podporil aj Mitchell. Medzitým v skupine A. Glagoleva začali experimenty testovať jednu z predpovedí tohto nového konceptu.
zdôvodnil som nasledujúcim spôsobom. Ak je protónový potenciál vyjednávacím čipom, potom musí mať bunka dostatočné množstvo takýchto „bankoviek“.
Táto požiadavka bola splnená, keď išlo o ATP. Bunka vždy obsahuje pomerne veľké množstvá ATP a boli prijaté opatrenia na stabilizáciu tohto množstva v podmienkach meniacej sa konjunktúry – neustále sa meniace rýchlosti tvorby a využitia ATP. Existuje špeciálna látka - kreatínfosfát, ktorý sa podieľa iba na jednej reakcii - fosforylácii ADP:
ADP + kreatínfosfát ⇔ ATP + kreatín.
Keď je ATP nadbytok a ADP nedostatok, reakcia prebieha sprava doľava a hromadí sa kreatínfosfát, ktorý je za týchto podmienok oveľa väčší ako ATP. Ale akonáhle hladina ADP stúpa a ATP klesá, reakcia mení smer a kreatínfosfát sa stáva dodávateľom ATP. Kreatínfosfát teda plní svoju funkciu stabilizátora, tlmivého roztoku na úrovni ATP.
A čo protónový potenciál?
Jednoduchý výpočet umožňuje previesť jednu energetickú „menu“ na druhú. Tento výpočet ukazuje, že množstvo energie akumulovanej napríklad bakteriálnou bunkou vo forme protónového potenciálu je takmer tisíckrát menšie ako množstvo ATP, ak je protónový potenciál v elektrickej forme. Toto množstvo je rovnakého rádu ako počet potenciálnych generátorov a spotrebiteľov v bakteriálnej membráne.
Táto situácia vytvára špeciálnu potrebu pufrovacieho systému, ktorý stabilizuje úroveň protónového potenciálu. V opačnom prípade aj krátkodobé prevýšenie celkovej rýchlosti procesov spotrebúvajúcich potenciál nad rýchlosťou jeho tvorby povedie k zániku potenciálu a odstaveniu všetkých systémov napájaných potenciálom.
Takže musí existovať tlmivý roztok pre protónový potenciál, ako je kreatínfosfát pre ATP. Aký komponent si však príroda vybrala do takejto úlohy?
Pri premýšľaní o tomto probléme som sa snažil nájsť nejaký potenciálny biologický systém, ktorého funkcia by bola neznáma.
Jedna zo starých záhad biológie: prečo bunka absorbuje draselné ióny a vylučuje sodíkové ióny, čím vzniká nákladná asymetria v distribúcii týchto podobných iónov medzi cytoplazmou a prostredím? Prakticky v každej živej bunke je oveľa viac iónov draslíka ako iónov sodíka, zatiaľ čo v prostredí je sodík v obrovskom prebytku nad draslíkom. Možno je Na + jed pre bunku?
Nie, nie je. Zatiaľ čo niektoré enzýmové systémy fungujú lepšie v KCl ako v NaCl, zdá sa, že ide o sekundárnu adaptáciu na vnútorné prostredie bunky s „vysokým obsahom draslíka“ a „nízkym obsahom sodíka“. Počas obrovského obdobia biologickej evolúcie sa bunka mohla prispôsobiť prirodzenému pomeru iónov alkalických kovov vo vonkajšom prostredí. Halofilné baktérie žijú v nasýtenom roztoku NaCl a koncentrácia Na + v ich cytoplazme niekedy dosahuje mol na liter, čo je takmer tisíckrát viac ako koncentrácia Na + v bežných bunkách. Takže Na+ nie je jed.
Všimnite si, že tie isté halofilné baktérie si udržiavajú intracelulárnu koncentráciu K + asi 4 móly na liter, pričom míňajú obrovské množstvo energetických zdrojov na vytvorenie gradientu sodíka a draslíka.
Je známe, že excitabilné živočíšne bunky, ako sú neuróny, využívajú gradient sodíka a draslíka na vedenie nervových impulzov. Ale čo iné typy buniek, napríklad baktérie?
Prejdime k mechanizmu transportu K + a Na + cez bakteriálnu membránu. Je známe, že medzi bakteriálnou cytoplazmou a vonkajším prostredím existuje rozdiel v elektrických potenciáloch, podporovaný prácou generátorových proteínov v bakteriálnej membráne. Pumpovaním protónov z vnútra bunky von, generátorové proteíny tak negatívne nabíjajú vnútro baktérie. Za týchto podmienok by akumulácia iónov K + vo vnútri bunky mohla nastať jednoducho v dôsledku elektroforézy - pohybu kladne nabitého iónu draslíka do negatívne nabitej cytoplazmy baktérie.
V tomto prípade by tok draslíka mal vybiť membránu predbežne nabitú protónovými generátormi.
Na druhej strane by vybitie membrány malo okamžite aktivovať prevádzku generátorov.
To znamená, že energetické zdroje vynaložené na generovanie rozdielu elektrického potenciálu medzi bunkou a prostredím sa použijú na koncentráciu iónov K+ vo vnútri bunky. Konečnou rovnováhou takéhoto procesu bude výmena intracelulárnych iónov H + za extracelulárne ióny K + (ióny H + sú odčerpávané generátorovými proteínmi, ióny K + vstupujú dovnútra, pohybujú sa v elektrickom poli vytvorenom pohybom H + ióny).
Vo vnútri bunky sa teda nevytvorí len nadbytok K + iónov, ale aj nedostatok H + iónov.
Tento deficit možno využiť na odčerpanie iónov Na +. Dá sa to urobiť nasledujúcim spôsobom. Je známe, že baktérie majú špeciálny nosič sodíkových iónov, ktorý vymieňa Na + za H + (tento nosič sa nazýva Na + /H + -antiporter). V podmienkach nedostatku H+ v cytoplazme môže antiport kompenzovať nedostatok protónov prenosom H+ z vonkajšie prostredie vnútri bunky. Transportér môže vyrobiť takýto antiport iba jedným spôsobom: výmenou vonkajšieho za vnútorný Na +. To znamená, že pohyb iónov H + do bunky možno využiť na odčerpanie iónov Na + z tej istej bunky.
Vytvorili sme teda gradient draslíka a sodíka: akumulovali sme K + vo vnútri bunky a odčerpávali sme odtiaľ Na +. Hnacou silou týchto procesov bol protónový potenciál vytvorený generátorovými proteínmi. (Smer potenciálu bol taký, že vnútro článku bolo nabité záporne a bol nedostatok vodíkových iónov.)
Predpokladajme teraz, že protónové generátory boli z nejakého dôvodu vypnuté. Čo sa stane s gradientom draslíka a sodíka za týchto nových podmienok?
Samozrejme, že sa rozplynie: ióny K + vytečú z bunky do okolia, kde ich je málo, ióny Na + sa dostanú dovnútra, kde je týchto iónov nedostatok.
Ale tu je to, čo je zaujímavé. Rozptyl, samotný gradient draslíka a sodíka sa ukáže ako generátor protónového potenciálu rovnakého smeru, ktorý sa vytvoril počas prevádzky proteínových generátorov.
Uvoľnenie iónu K + ako kladne nabitej častice skutočne vytvára rozdiel difúzneho potenciálu na bunkovej membráne so znamienkom mínus vo vnútri bunky. Vstup Na + za účasti Na + /H + - antiportera bude sprevádzaný uvoľnením H +, to znamená vytvorením nedostatku H + vo vnútri bunky.
Čo sa stane? Keď fungujú generátory proteínov, protónový potenciál, ktorý vytvárajú, sa vynakladá na tvorbu gradientu draslíka a sodíka. Ale keď sú vypnuté (alebo ich výkon nestačí na uspokojenie mnohých spotrebiteľov potenciálu), gradient draslíka a sodíka, ktorý sa rozptýli, sám začne generovať protónový potenciál.
Koniec koncov, toto je vyrovnávacia pamäť protónového potenciálu, práve vyrovnávacia pamäť, ktorá je taká potrebná pre fungovanie membránových energetických systémov!
Schematicky možno tento koncept znázorniť takto:
Draslík-sodný gradient ↓ vonkajšie zdroje energie → protónový potenciál → prac.
Ale ak je takáto schéma správna, potom by gradient draslíka a sodíka mal predĺžiť výkon bunky v podmienkach, keď sú energetické zdroje vyčerpané.
A. Glagolev a I. Brown overili platnosť tohto záveru. Bol odobratý mutant coli bez protónovej ATP syntetázy. Pre takéhoto mutanta je oxidácia substrátov kyslíkom jediným zdrojom energie vhodným na vytvorenie protónového potenciálu. Ako vtedy ukázal J. Adler a jeho spolupracovníci, mutant je mobilný, pokiaľ je v médiu kyslík.
Glagolev a Brown zopakovali Adlerov experiment a presvedčili sa, že vyčerpanie zásob kyslíka v roztoku v skutočnosti zastaví baktérie, ak sú v médiu s KCl. Za týchto podmienok neexistuje gradient draslík-sodík: v bunkách aj v prostredí je veľa draslíka a sodík nie je ani tam, ani tu.
Teraz vezmeme médium s NaCl. Za takýchto podmienok by mali existovať oba gradienty, ktoré nás zaujímajú: draslík (veľa draslíka vo vnútri a málo vonku) a sodík (veľa sodíka vonku a málo vo vnútri). Hypotéza predpovedala, že v takejto situácii bude mobilita nejaký čas pretrvávať aj v anoxických podmienkach, pretože je možná premena energie:
gradient draslík-sodík → protónový potenciál → rotácia bičíka.
V skutočnosti sa baktérie pohybovali ďalších 15-20 minút po tom, čo meracie zariadenie zaregistrovalo nulovú hladinu CO v médiu.
Ale obzvlášť názorný, ako by sa dalo očakávať, bol experiment s baktériami milujúcimi soľ, ktoré transportujú veľmi veľké množstvá iónov K + a Na +, aby vytvorili gradient draslíka a sodíka. Takéto baktérie sa rýchlo zastavili v tme za anoxických podmienok, ak bol v médiu KCl, a stále sa pohybovali po deviatich (!) hodinách, ak bol KCl nahradený NaCl.
Táto hodnota – deväť hodín – je zaujímavá predovšetkým ako ilustrácia objemu energetického rezervoára, ktorým je gradient draslíka a sodíka u slanomilných baktérií. Okrem toho nadobúda osobitný význam, ak si spomenieme, že baktérie milujúce soľ majú bakteriorhodopsín, a preto sú schopné premeniť svetelnú energiu na protónový potenciál. Je jasné, že takáto premena je možná len počas denného svetla. A čo v noci? Ukazuje sa teda, že energia uložená počas dňa vo forme gradientu draslíka a sodíka vystačí na celú noc.
Konštatovanie, že gradient draslíka a sodíka zohráva úlohu tlmivého roztoku protónového potenciálu, nám umožňuje pochopiť nielen biologickú funkciu tohto gradientu, ale aj dôvod, ktorý dlhé roky bránil objasneniu jeho významu pre život bunky. Myšlienka vyrovnávacej úlohy gradientu draslíka a sodíka sa nemohla zrodiť skôr, ako bol objavený protónový potenciál a bolo dokázané, že slúži ako konvertibilná forma energie. Celé tie roky problém draslíka a sodíka len čakal v krídlach.
